薄层灰岩弯曲变形力学特性试验研究

贾杰南

(中交公路规划设计院有限公司贵州分公司 贵阳 550001)

弯曲破坏通常被认为是拉应力引起的。在实际工程中常采用室内岩石巴西劈裂抗拉试验结果作为岩体的抗拉强度参考值,而抗弯强度往往高于抗拉强度,采用抗拉强度值偏于保守,未充分利用层状岩体抗弯强度,造成工程费用提高。另外,岩体弯曲破坏裂纹扩展路径受层理面产状及厚度的影响常表现出随机性。因此有必要开展薄层岩体的弯曲变形特性的相关研究。

对于层状岩体弯曲变形的研究,国内外学者进行了大量的探索。张会仙等[1]建立三点弯曲作用下灰岩的损伤本构方程,构建了反倾层状岩体弯曲破坏模式下的破坏判据及数值实现。蔡俊超[2]提出柔性弯曲型倾倒破坏的全过程变形曲线,并建立了变形全过程的阶段性力学判据和针对性的稳定性评价方法。赵龙辉等[3]进行不同层间黏结强度下水平层状岩体弯曲破坏试验研究,获得了不同层间黏结强度条件下岩体的受弯力学行为。杨志良等[4]开展不同加载速率下预制裂纹且中间层是弱层理的三层混凝土梁三点弯曲试验,获取了不同加载下裂纹在含弱层理三层岩体中的扩展特征。梁风等[5]基于弯曲模式揭示了层状采空区反倾斜坡变形破坏机理。林志剑[6]进行了三点弯曲条件下层状砂岩的力学特性及裂纹扩展特征研究。国内外学者的研究成果多集中于层状岩体弯曲变形本构关系和弯曲破坏判据方面,而在弯曲变形特性方面研究较少。另外,结合声发射新技术监测岩石受弯条件下裂纹出现和扩展过程方面的成果更为有限。

本文在以上研究成果的基础上,拟通过对薄层灰岩进行三点弯曲试验,研究薄层灰岩的弯曲变形力学特性和弯曲变形特性,采用声发射定位技术,获取试验加载过程中的声发射参数信号,以期了解工程中赋存薄层灰岩岩体的破坏机理及预防方法。

1 试验方法

试验岩样取自三叠系下统夜郎组,岩性为灰色中风化薄层灰岩,层理面发育,近于水平状,结构面间距5～10 mm。将灰岩岩样加工成3组不同尺寸的长方体,分别为60 cm×10 cm×10 cm、48 cm×8 cm×8 cm、36 cm×6 cm×6 cm,每组的试件编号为1～6。

利用三点弯曲方法分别对3组同一跨高比不同尺寸的薄层灰岩长方体试样进行试验。试验选用WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机对试件进行加载,加载速率为0.5 MPa/min;采用DH3818静态应变数据采集仪记录加载过程中岩样的累积应变,将6个电阻应变片分别沿平行岩样长度方向固定于边侧及底部,采集岩样受荷作用下底部和试件不同高度位置的应变数据;结合PCI-2型声发射检测系统获取试验过程中振铃计数、能量计数等参数信息,三点弯曲试验示意图见图1。

图1 三点弯曲试验示意图

2 试验结果分析

2.1 力学特征

2.1.1荷载位移曲线

图2为3组岩样弯曲的荷载-位移曲线。3组试验岩样的荷载-位移曲线可分为线性和非线性两类。

图2 岩样荷载-位移曲线

图2a)中试件4、5和6,b)中试件4、5和6,c)中试件1、4和6的试验曲线可以归类为非线性曲线,曲线呈上凹形,曲线前半部分曲线斜率小,后半段斜率大,位移随荷载变化的速度先慢后快,造成荷载位移曲线呈现明显差异性的原因主要是三点弯曲试件在刚开始受载时其上部受压,上部岩层原有层面裂隙被压密,层面填充物颗粒被压缩,此时试件处于微裂隙压密阶段。后半段曲线上凹斜率增大,位移增长速度小于荷载增长速度,说明试件有裂纹产生,并且裂纹扩展速度较为一致。此阶段的曲线可以理解为试件处于裂纹扩展阶段。试件在后半段达到峰值发生破坏,破坏点曲线垂直下降,反映了灰岩的脆性破坏。

图2中其他试件的荷载-位移曲线整体呈现良好的线性关系,未表现出荷载随位移增长速度不一的特点,曲线峰值试件破坏,荷载急剧跌落。此类曲线的线性特征反映了薄层灰岩的层理面胶结密实程度,层理面胶结地越密实,结构面间距越小,试件在受压时微裂隙压密阶段的变形就越小,由于压密阶段的层理面的压缩变形增长速度近似于裂纹形成阶段的扩展速度,曲线才表现为线性特征。因此,结合试件的非线性曲线特点,按试件荷载位移曲线特征划分,薄层灰岩弯曲变形破坏可划分为微裂隙压密阶段和裂纹扩展阶段。

荷载-位移曲线反映了弯曲试件高度方向位移随施加荷载的变化关系,纵向位移的最大值对应了试件最大的弯曲挠度。各组弯曲岩样纵向位移值在0.3～1.4 mm之间,平均位移值集中在0.7 mm水平,变形较小,可知试样的弯曲刚度大。

2.1.2沿试件高度分布的应力-应变曲线

试件不同高度的应变值由静态应变采集仪采集侧边和底部黏贴的应变片测量值得到,应力可根据简支梁弯曲公式进行换算。由应力-应变数据可得试件沿不同高度分布的应力-应变关系曲线,图3为A组试样3、4、5的应力-应变曲线。各试件的应变片1～5所测应变的绝对值大体都遵循由大变小再变大这一规律,岩样的最上层和最底部变形最大,中间变形相对减小,即岩样最大拉应变和最大压应变发生在岩样的最外层,岩样最先破坏往往从最外层开始。试件3、4、5中1、6应变片的应变值都大于应变片5,这就说明岩石受弯时的最大拉应变往往大于其最大压应变,因此岩石受弯作用下其底部最先发生拉伸断裂。

图3 沿高度分布应力-应变曲线

在弯曲过程中,岩样上部产生压应变,下部产生拉应变,则中间必有一层应变值为0,称为应变中性层。理论而言,当弯曲变形程度较小时,应变中性层与截面对称轴重合,但随着荷载的增加及变形程度的加大,应变中性层会发生迁移。由图3可见,位于试件高度中间部位的应变片3表现为拉应变,而应变片4表现为压应变,说明岩样的应变中性层并不位于岩样高度的中间部位,而是位于对称轴靠上部位。这是因为试件弯曲过程中,应变中性层以上的区域受压,以下的区域受拉,而岩石的抗压强度大于其抗拉强度,中性层向受压一侧移动造成的。

2.2 变形特征

2.2.1试件破坏形态

试样在达到破坏临界点前无明显的破坏前兆。采用高速摄像机捕捉试样破坏过程,在试件达到峰值破坏时的形态呈现裂缝扩展贯通断裂破坏和裂缝扩展不贯通无断裂破坏2类形式。图4为2类形态代表试件B组试件1和试件2破坏时的形态图。

图4 试件破坏形态

如图4所示,试件2在中底部偏左2 cm位置出现1条向上延伸扩展的裂缝,裂缝此时还未完全贯通。极短时间后裂缝向上贯通试件弯曲断裂,最终破坏形态见图4b)。图4c)和d)为试件1开始破坏的起裂图和最终破坏裂缝形态图,裂缝自中心线偏右2 cm位置起裂并向上扩展,压力机加载停止时,裂纹并未完全贯通、试件未断裂。

2.2.2裂纹扩展方式

3组岩样在压力机加载条件下裂纹扩展路径大体可归为3类:①裂纹路径与层理面正交,裂纹并没有沿层理面扩展而是直接穿越层理面;②裂纹路径与层理面平行,裂纹在层理面处沿层理面先扩展一段距离后再垂直层理面扩展,该转折点处层理面胶结状态由弱转强;③裂纹路径与层理面斜交,斜交角度10°～30°。

薄层灰岩在受弯条件下的裂纹扩展方式受层理面的胶结强度与岩块强度之间的相对关系影响。这一结论对近于水平状的临空层状岩体的断裂破坏具有重要启示,若层状岩体层理面胶结密实,层面抗剪力高于一定水平岩层的自重应力时,在自重应力下岩块先起裂,裂纹扩展至层理面时便不会平行层理面扩展,即岩体不会发生局部岩层垮塌;若层理面抗剪力小于岩层自重或小于岩块抗剪强度,岩层裂纹扩展路径可能会沿平行层理面方向扩展,导致围岩发生岩层剥落。

2.3 声发射参数特征

2.3.1AE累计振铃计数与应力关系

声发射信号可以监测出岩石受力变形破坏过程中产生的声源特性,其中振铃计数能反映声发射的信号强度和频度。图5为3组岩石试件中具有代表性的累计振铃计数与其同时刻相应的应力水平的关联曲线。由于试件底部最先受拉破坏,底部时间应力曲线最能反映试件破坏力学特征,因此图中的应力代表试件底部位置的应力。

图5 累计振铃计数-时间-应力关联曲线

如图5所示,在3组岩样的整个变形破坏阶段中,声发射活动特征不同。A组试件6在临界破坏前累计振铃计数保持不变,声发射活动性低,直到岩石破坏时AE活动性突然发生,反映出试件材料的均质性较好,内部几乎没有或稍有裂隙存在,主破坏前试件内部没有渐进性的小破坏。B组试件2和C组试件5的累计振铃计数曲线随时间发生跃阶,反映出试件在主破坏到来前有渐进性破坏,这种破坏是由于试件受力局部裂隙产生应力集中造成的。B组试件2和C组试件5在不同的弯曲变形破坏阶段其声发射活动性特征不同:①岩样加载初期,声发射活动趋于平静,此阶段正处于微裂隙压密阶段,局部裂纹面出现滑移,产生的能量较小,释放的声发射信号幅度未超过振铃门槛,因此振铃计数少;②裂纹形成阶段,局部岩石内部应力达到临界值,开始发生破坏,岩样声发射信号主要由裂纹成核、裂纹稳定扩展等产生,产生的声发射多为突发型,声发射振铃计数出现明显的峰值,累计振铃计数产生明显跃阶;③裂纹的非稳定扩展阶段,岩石内部应力水平快速临近峰值,早期出现的微裂纹快速扩展并伴随新裂纹快速生成,声发射活动也随之活跃,累计振铃计数再跃级一个台阶;④岩石破坏阶段,岩石单元内部应力水平越过峰值,之前产生的微裂纹扩展贯通形成肉眼可见的裂缝,这一过程有大量能量释放,产生大量弹性波,声发射活动急剧增多,振铃计数达到最高峰值。

2.3.2AE累计能量与应变关系

能量状态与应变增长息息相关。图6为B组试件2和C组试件5的AE累计能量与应变的试验曲线和拟合关系曲线。通过观察试验曲线可知,在一定应变增长范围内,薄层灰岩的声发射活动不明显,AE累计能量为0,随着加载的进行,岩石内部微裂纹继续扩展,声发射活动逐步增加,AE累计能量随应变的增加有所增大,继续加载至岩石失稳破坏,岩石快速卸载,此时声发射累计能量急剧增加,达到最大。

图6 AE累计能量-应变试验曲线和拟合曲线

如图6所示,试验数据曲线呈现三大特征:①能量应变曲线呈现阶梯式跃阶,如B组试件2能量在应变为300×10-6时上升到1 000台阶水平,C组试件5曲线呈现2级台阶形状,第一次台阶起点对应于应变值为225×10-6位置,第二次台阶起点对应于应变值为350×10-6位置;②能量应变曲线最后阶段总会出现一长段近似直线或者直线式形状,这代表着能量在极短时间内的急剧增加,反映了岩石破坏时内部能量释放的速度和大小;③能量应变曲线最后部分的直线段总是在最大应变值的前面出现,如B组试件2,直线段出现后应变值继续增加了小部分。这一特征反映了岩石破坏声发射能量的释放总是先于岩石宏观破坏。拟合能量应变试验曲线,得知声发射能量与应变呈现指数函数关系。这也验证了试件在临近极限应变时能量呈幂律的加速释放过程。根据试验曲线能量直线段与应变对应关系,可探讨将应变值作为岩石破坏的前兆判据。

3 结论

通过在三点弯曲试验条件下,对薄层灰岩试样弯曲破坏过程的裂纹扩展规律及其声发射参数信号变化特征试验研究,可得到以下结论。

1) 薄层灰岩弯曲受力时试件内部弯曲应力呈线性分布,具有上压下拉的特点,弯曲破坏呈现弹脆性特征。岩样的应变中性层位于试件中心对称轴靠上部位,偏向受压侧。

2) 薄层灰岩弯曲破坏裂纹起裂点大多始于试件底部中心受拉区域,其扩展路径取决于岩块强度和层面抗剪强度相对大小关系,有垂直、平行、斜交层理面3种路径。

3) 声发射振铃计数可监测出岩样受荷后内部应力水平反应,随荷载的增加岩样内部应力逐步集中。试件在破坏时能量释放的速率相当快,呈现出明显的加速释放过程,此现象可作为一种岩石破坏的前兆现象。